专利名称：低压穿越型双馈风力发电机变频器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种风力发电机变频器，特别是一种执行快速、控制简单、运行可
靠、功耗较低且具备很强低电压穿越能力的双馈风力发电机变频器。属于风力发电设备技 术领域。 在传统能源日渐萎縮的现在，全球掀起了开发可再生资源的热潮。其中，风能成为 当前新能源中最具产业化开发条件的佼佼者，也是我国未来数年内最具发展潜力的可再生 清洁能源。截止2008年，我国风电装机总容量达到1221万千瓦，已占全球总装机的10%， 名列全球第四。仅2008年一年，我国新增风电装机容量就达630万千瓦，新增量位列全球 第二，仅仅次于美国的838万千瓦。然而，电力系统中风力发电装机容量比例较大时，电力 系统故障导致电压跌落后，风电场切除会严重影响系统运行的稳定性，这就要求风电机组 具备低电压穿越能力，以保证故障条件下风电机组不间断并网运行。风电技术较为先进的 国家如德国、美国等根据电网实际运行状况制定了风电并网导则，对接入电网的风电场提 出了严格的技术要求。该技术要求一般包括无功电压控制，有功电压控制以及低电压穿越 能力等，其中风电机组的低电压穿越能力是风电大规模并网运行必不可少的条件和要求， 是在外部电网故障下风电机组具有不间断运行能力的保证。 双馈感应风力发电机组是目前国内外风电机组的主流机型。对于双馈风电机组， 电网发生故障导致网电压跌落时，由于转子和定子之间的耦合关系，急剧增加的定子电流 将导致转子电流的急剧增加。几倍于转子额定电流的实际电流使得转子侧逆变器迅速关 闭。但由于转子侧逆变器续流二极管的作用，母线电压会急剧增加。虽然现有的双馈感应 风力发电机系统均是背靠背的变频器，但是故障期间依旧会出现逆变器直流母线电压急剧 升高的情况。过高的直流母线电压将严重损害变频器。 因此，在电网故障时，双馈感应风力发电机组必须限制转子过电流和直流过电压，
以免对转子侧变频器造成损害。在大值瞬态故障下一般使用转子电流旁通措施来保护发电机
和变频器。为了实现转子电流旁通措施，现在多采用可控硅作为受控开关。使用可控硅的转
子电流旁通措施有如下缺陷一方面可控硅器件不能实现受控关断，因此其动作周期较全控
器件长，制约了整个双馈感应风力发电机组的控制效果的实现，甚至在应用中，为避免在重新
启动逆变器时可控硅处于导通状态，需要检测可控硅回路内电流是否为零，这样既增加了保
护措施实施的复杂性也减低了整个系统运行的可靠性。另一方面可控硅器件承受dv/dt能力
有限，需要较多吸收电路，因而增加了设备功耗、增加了设备成本、加大了设备体积。 基于上述现有技术状况，我们有必要设计一种全新结构的发电机变频器，使其具
有执行快速、控制简单、运行可靠、功耗较低、低电压穿越能力强等特点。
实用新型内容本实用新型的实用新型目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种执行快
背景技术速、控制简单、运行可靠、功耗较低且具备很强低电压穿越能力的双馈风力发电机变频器。 本实用新型的实用新型目的是通过下述技术方案予以实现的 低压穿越型双馈风力发电机变频器，包括定子侧并网开关KMO、转子侧变频器 105、中间直流环节106、网侧变频器107 ;风力发电机的定子101通过该定子侧并网开关 KMO接入电网；风力发电机的转子102与所述转子侧变频器105、中间直流环节106、网侧变 频器107顺序串联接入电网；其特征在于 所述中间直流环节106包括有直流电容Cl和直流电压检测器TV1 ;所述直流电压
检测器TV1并联在该直流电容C1的两端，用以检测中间直流环节电压； 在该变频器中还设置有转子电流旁通电路104 ;所述转子电流旁通电路104由限
流电阻200、三相不控整流器300、全控器件V l顺序串联构成；所述限流电阻200端作为电
流旁通电路104的接入端，并联接入到所述转子102与转子侧变频器105之间；所述直流电压检测器106与转子电流旁通电路104信号连接，以控制全控器件VI开关。 所述全控器件V1可以采用绝缘栅双极型功率管、集成门极换流晶闸管或可关断 晶闸管。 在所述全控器件VI的两端并联有吸收电路500。 在所述三相不控整流器300的两端并联有直流滤波器400。 所述吸收电路500和直流滤波器400可以采用A型电压嵌位电路、B型电压嵌位 电路或C型电压嵌位电路； 所述A型电压嵌位电路由吸收二极管与吸收电阻并联后再与吸收电容串联构成； 所述B型电压嵌位电路由吸收电阻与吸收电容串联构成； 所述C型电压嵌位电路由一个吸收电容构成。 在变频器中还设有转子侧滤波器L2 ;该转子侧滤波器L2串联在所述转子102与 转子侧变频器105之间；所述转子电流旁通电路104通过接入端限流电阻200可以并联接 入转子102与转子侧滤波器L2之间，也可以并联接入转子侧滤波器L2与转子侧变频器105 之间。 本实用新型的有益效果是该风力发电机在电力系统故障期间，维持了双馈感应 风力发电机的定子侧并网开关KMO闭合，保持了双馈风力发电机变频器的网侧变频器的持 续运行，以较快的速度重新启动双馈风力发电机变频器的转子侧变频器，对电网的故障恢 复形成非常有力的支持，在高可靠性的前提下具备强有力的低电压穿越能力。
图1为低电压穿越型双馈风力发电机变频器与双馈感应风力发电机所组成的发 电机系统示意图； 图2为该转子电流旁通电路的电路结构图； 图3 (A)为A型电压嵌位电路电路图； 图3 (B)为B型电压嵌位电路电路图； 图3 (C)为C型电压嵌位电路电路图；具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述。 图1为由本实用新型低电压穿越型双馈风力发电机变频器与双馈感应风力发电 机所组成的发电机系统示意图。如图所示，其中双馈感应风力发电机100由定子101和转 子102组成。而低电压穿越型双馈风力发电机变频器包括定子侧并网开关KMO、转子侧滤 波器L2、转子侧变频器105、中间直流环节106、网侧变频器107、网侧整流电抗Ll 、网侧电网 开关KM1。 其中，定子101通过定子侧并网开关KMO接入电网。转子102通过转子侧滤波器 L2与转子侧变频器105、中间直流环节106、网侧变频器107、网侧整流电抗L1、网侧电网开 关KM1顺序串联接入电网。该网侧电网开关KM1设置在网侧整流电抗Ll与电网之间，用以 控制发电机转子侧投入切出电网。 上述结构为现有双馈风力发电机系统的基本结构。针对在电网发生故障时，过高 的直流母线电压会严重损害变频器的问题，在此基本结构的基础上在中间直流环节106中 还设有直流电压检测器TV1，同时在发电机系统中还加入了转子电流旁通电路104。 所述中间直流环节106包括有直流电容C1和直流电压检测器TV1。该直流电压检 测器TV1并联在该中间直流环节的直流电容C1两端，用以检测中间直流环节106的电压。 所述转子电流旁通电路104可以并联在转子102与转子侧滤波器L2之间，或是转 子侧滤波器L2与转子侧变频器105之间。该转子电流旁通电路104为本实用新型所特别设 计的旁通电路，其结构与一般现所采用的电流旁通电路不同。图2为该转子电流旁通电路 的电路结构图。如图所示，该转子电流旁通电路104由限流电阻200、三相不控整流器300 和全控器件V1顺序串联构成。其中，该限流电阻200端作为电流旁通电路104的接入端， 并联接入到前述转子102与转子侧滤波器L2之间，或是转子侧滤波器L2与转子侧变频器 105之间。 所述直流电压检测器TV1与转子电流旁通电路104信号连接，将其通过检测直流 环节电压所产生的判断信号发送至转子电流旁通电路104，以对全控器件VI进行开关控 制。 当电力系统故障导致电压跌落时，双馈感应风力发电机100的定子电流急剧增 加。由于转子102和定子IOI之间的耦合关系，急剧增加的定子电流将导致转子电流的急 剧增加。几倍于转子额定电流的实际电流使得转子侧逆变器迅速关闭。但由于转子侧逆变 器续流二极管的作用，母线电压会急剧增加。虽然双馈感应风力发电机变频器系统均是背 靠背的变频器，但还是会出现逆变器直流母线电压急剧升高的情况。当中间直流环节106 的电压超过一定阀值CO时，直流电压检测器TV1发出转子电流旁通电路中全控器件V1的 导通命令。转子电流旁通电路中全控器件V1导通后，双馈感应风力发电机的转子电流流过 转子电流旁通电路的限流电阻200、三相不控整流器300、全控器件Vl，而不进入中间直流 环节106。这样电网故障情况下的双馈感应风力发电机变频器不会出现逆变器直流母线电 压持续急剧升高，双馈感应风力发电机变频器的定子侧并网开关KMO依然保持闭合，保持 双馈感应发电机不脱网。 当中间直流环节106的电压低于一定阀值CO时，经过较短延时，直流电压检测器 TV1撤销转子电流旁通电路中全控器件V1的导通命令。由于全控器件V1的自身特性，转子
5电流旁通电路104中的电流完全受控，这时重新启动双馈感应风力发电机变频器的转子侧 变频器，发出无功支持电网的故障会恢复。这样在较短的时间重新启动双馈感应风力发电 机变频器的转子侧变频器105，很好的支持了整个电网的故障恢复。 当电力系统故障恢复时刻，双馈感应风力发电机100的转子电流再一次急剧增 加。由于转子和定子之间的耦合关系，急剧增加的定子电流将导致转子电流的急剧增加。当 中间直流环节106的电压超过一定阀值CO时，直流电压检测器TV1发出转子电流旁通电路 中全控器件V1的导通命令。转子电流旁通电路中全控器件V1导通后，双馈感应风力发电 机100的转子电流流过转子电流旁通电路的限流电阻200、三相不控整流器300、全控器件 Vl，而不进入中间直流环节106。这样电网故障情况下的双馈感应风力发电机变频器不会出 现逆变器直流母线电压持续急剧升高。当中间直流环节的电压低于一定阀值CO时，直流电 压检测器TV1撤销转子电流旁通电路中全控器件V1的导通命令。在较短的时间内重新启 动双馈感应风力发电机变频器的转子侧变频器105，双馈感应风力发电机变频器恢复正常 工作。 事实上，可以作为全控器件VI这样的开关控制部件有很多。具体地说，可以采用 绝缘栅双极型功率管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT或是可关断晶闸管GTO等开关控制部 件作为本专利所述的全控器件VI。 另外，由于这样的全控器件V1关断得非常迅速，在其关断一瞬间，很容易产生电 压的尖峰毛剌。因而需要在全控器件V1的两端并联有绝吸收电路500，以保护全控器件V1 工作在其自身的安全工作区域内。 由于这样的全控器件V1关断得非常迅速，在其关断一瞬间，很容易产生电压的尖 峰毛剌。因而还需要在三相不控整流器300的两端并联有直流滤波器400，以保护三相不控 整流器300工作在其自身的安全工作区域内。 这里，所述绝吸收电路500和直流滤波器400均可以采用图3所示的三种电压嵌 位电路中的任何一种。其中，图3(A)所示的为A型电压嵌位电路，其由吸收二极管与吸收 电阻并联后再与吸收电容串联构成。图3(B)所示的为B型电压嵌位电路，其由吸收电阻与 吸收电容串联构成。图3(C)所示的为C型电压嵌位电路，其仅由一个吸收电容构成。 综上所述，本实用新型所设计的双馈风力发电机即是通过在转子电流旁通电路 104中改用全控器件VI作为开关控制部件，并辅以设置在中间直流环节106上的直流电压 检测器TV1对其进行控制。从而，使该风力发电机在电力系统故障期间，维持了双馈感应风 力发电机的定子侧并网开关KMO闭合，保持了双馈感应风力发电机变频器的网侧变频器的 持续运行，以较快的速度重新启动了双馈感应风力发电机变频器的转子侧变频器，对电网 的故障恢复形成非常有力的支持，在高可靠性的前提下具备强有力的低电压穿越能力。 以上所述是本实用新型的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术 人员来说，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，任何基于本实用新型技术方案基 础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本实用新型保护范围之内。
权利要求低压穿越型双馈风力发电机变频器，包括定子侧并网开关(KM0)、转子侧变频器(105)、中间直流环节(106)、网侧变频器(107)；风力发电机的定子(101)通过该定子侧并网开关(KM0)接入电网；风力发电机的转子(102)与所述转子侧变频器(105)、中间直流环节(106)、网侧变频器(107)顺序串联接入电网；其特征在于所述中间直流环节(106)包括有直流电容(C1)和直流电压检测器(TV1)；所述直流电压检测器(TV1)并联在该直流电容(C1)的两端，用以检测中间直流环节电压；在该变频器中还设置有转子电流旁通电路(104)；所述转子电流旁通电路(104)由限流电阻(200)、三相不控整流器(300)、全控器件(V1)顺序串联构成；所述限流电阻(200)端作为电流旁通电路(104)的接入端，并联接入到所述转子(102)与转子侧变频器(105)之间；所述直流电压检测器(106)与转子电流旁通电路(104)信号连接，以控制全控器件(V1)开关。
2. 如权利要求1所述的低压穿越型双馈风力发电机变频器，其特征在于所述全控器 件(VI)可以采用绝缘栅双极型功率管、集成门极换流晶闸管或可关断晶闸管。
3. 如权利要求1所述的低压穿越型双馈风力发电机变频器，其特征在于在所述全控 器件(VI)的两端并联有吸收电路(500)。
4. 如权利要求3所述的低压穿越型双馈风力发电机变频器，其特征在于所述吸收电 路(500)采用A型电压嵌位电路、B型电压嵌位电路或C型电压嵌位电路；所述A型电压嵌位电路由吸收二极管与吸收电阻并联后再与吸收电容串联构成； 所述B型电压嵌位电路由吸收电阻与吸收电容串联构成；所述c型电压嵌位电路由一个吸收电容构成。
5. 如权利要求1所述的低压穿越型双馈风力发电机变频器，其特征在于在所述三相不控整流器(300)的两端并联有直流滤波器(400)。
6. 如权利要求5所述的低压穿越型双馈风力发电机变频器，其特征在于所述直流滤波器(400)采用A型电压嵌位电路、B型电压嵌位电路或C型电压嵌位电路；所述A型电压嵌位电路由吸收二极管与吸收电阻并联后再与吸收电容串联构成； 所述B型电压嵌位电路由吸收电阻与吸收电容串联构成；所述c型电压嵌位电路由一个吸收电容构成。
7. 如权利要求1所述的低压穿越型双馈风力发电机变频器，其特征在于在变频器中还设有转子侧滤波器(L2);该转子侧滤波器(L2)串联在所述转子(102)与转子侧变频器 (105)之间；所述转子电流旁通电路(104)通过接入端限流电阻(200)并联接入转子(102) 与转子侧滤波器(L2)之间。
8. 如权利要求1所述的低压穿越型双馈风力发电机变频器，其特征在于在变频器中 还设有转子侧滤波器(L2);该转子侧滤波器(L2)串联在所述转子(102)与转子侧变频器 (105)之间；所述转子电流旁通电路(104)通过接入端限流电阻(200)并联接入转子侧滤 波器(L2)与转子侧变频器(105)之间。
专利摘要本实用新型提供了一种低压穿越型双馈风力发电机变频器，其特征在于其中间直流环节包括有直流电容和直流电压检测器；直流电压检测器并联在该直流电容的两端，用以检测中间直流环节电压；在该变频器中还设置有转子电流旁通电路；转子电流旁通电路由限流电阻、三相不控整流器、全控器件顺序串联构成；限流电阻端作为电流旁通电路的接入端，并联接入到所述转子与转子侧变频器之间；直流电压检测器与转子电流旁通电路信号连接，以控制全控器件开关。该风力发电机在电力系统故障期间，中间直流环节的电压过高时，全控器件导通，实现对转子电流的旁通，进而保持了双馈感应风力发电机变频器的网侧变频器的持续运行，对电网的故障恢复形成非常有力的支持。
文档编号H02J3/38GK201466745SQ200920109488
公开日2010年5月12日 申请日期2009年6月24日 优先权日2009年6月24日
发明者宋海涛 申请人:北京利德华福电气技术有限公司